Warum ist die Elektronenkonfiguration von Chrom? 1 2p ^ 2 2s ^ 2 6p ^ 3 2d ^ Farbe (rot) (3) 6s ^ Farbe (rot) (3) #?

Es ist eine Kombination von Faktoren:

Im selben Orbital sind weniger Elektronen gepaart
Mehr Elektronen mit parallelen Spins in getrennten Orbitalen
Relevante Valenzorbitale sind nicht energienah genug, um die Elektronenpaarung durch große Orbitalgrößen ausreichend zu stabilisieren

HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Lange Antwort, aber es ist ein kompliziertes Problem, also ...

Eine Menge Leute wollen sagen, dass es weil a ist "halb gefüllte Unterschale" erhöht die Stabilität, was ein Grund ist, aber nicht unbedingt die ausschließlich Grund. Für Chrom ist es jedoch das signifikant Grund.

Es ist auch erwähnenswert, dass diese Gründe sind nach dem Fakt; Chrom kennt die Gründe nicht, die uns einfallen; die Gründe müssen nur sein, na ja, vernünftig.

Die Gründe, an die ich denken kann, sind:

Minimierung der coulombischen Abstoßungsenergie
Maximierung Austausch Energie
Fehlende signifikante Reduzierung der Pairing-Energie insgesamt im Vergleich zu einem Atom mit größeren besetzten Orbitalen

COULOMBIC REPULSION ENERGY

Coulombsche Abstoßungsenergie ist die erhöhte Energie aufgrund der Gegenspin-Elektronenpaarung in einem Kontext, in dem nur zwei Elektronen mit nahezu entarteten Energien vorhanden sind.

Also zum Beispiel ...

$ul(uarr darr) " " ul(color(white)(uarr darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$ is higher in energy than $ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$

Um es uns einfacher zu machen, können wir die Abstoßungsenergie mit dem Symbol grob "messen" $Pi_c$ . Wir würden nur sagen, dass für jedes Elektronenpaar im selben Orbital eines hinzugefügt wird $Pi_c$ Einheit der Destabilisierung.

Wenn Sie so etwas mit parallelen Elektronenspins haben ...

$ul(uarr darr) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))$

Es wird wichtig, die Austauschenergie einzubeziehen.

ENERGIE AUSTAUSCHEN

Energie austauschen ist die Energieverringerung aufgrund der Anzahl der Parallel-Spin-Elektronenpaare in verschiedenen Orbitalen.

Es ist ein quantenmechanisches Argument, wo die Parallel-Spin-Elektronen können Austausch- miteinander aufgrund ihrer Ununterscheidbarkeit (man kann nicht sicher sagen, ob es sich um Elektron 1 handelt, das sich in der Umlaufbahn 1 befindet, oder Elektron 2, das sich in der Umlaufbahn 1 befindet, usw.), Reduzierung die Energie der Konfiguration.

Zum Beispiel...

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$ is lower in energy than $ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarrdarr))$

Um es uns einfacher zu machen, heißt eine grobe Methode zum "Messen" des Energieaustauschs, dass er gleich ist $Pi_e$ für jedes Paar, das ausgetauscht werden kann.

Für die obige erste Konfiguration würde es also durch stabilisiert werden $Pi_e$ ( $1harr2$ ), aber die zweite Konfiguration hätte a $0Pi_e$ Stabilisierung (entgegengesetzte Spins; nicht austauschbar).

ENERGIE PAAREN

Energie koppeln ist nur die Kombination von Abstoßung und Energieaustausch. Wir nennen es $Pi$ , so:

$Pi = Pi_c + Pi_e$

Anorganische Chemie, Miessler et al.

Grundsätzlich ist die Paarungsenergie:

höher wenn Abstoßungsenergie ist hoch (dh viele Elektronen gepaart), was bedeutet, dass eine Paarung vorliegt ungünstig
senken beim austausch ist energie hoch (dh viele Elektronen sind parallel und ungepaart), was bedeutet, dass eine Paarung vorliegt günstig

Also, wenn es darum geht, es für Chrom zusammenzustellen ... ( $4s$ und $3d$ Orbitale)

$ul(uarr color(white)(darr))$

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))$

im Vergleich zu

$ul(uarr darr)$

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$

Ist stabiler.

Der Einfachheit halber nehmen wir die $4s$ und $3d$ Elektronen sind in ihrer Energie nicht nah genug, um als "fast entartet" angesehen zu werden:

Die erste Konfiguration hat $mathbf(Pi = 10Pi_e)$ .

(Exchanges: $1harr2, 1harr3, 1harr4, 1harr5, 2harr3,$
$2harr4, 2harr5, 3harr4, 3harr5, 4harr5$ )

Die zweite Konfiguration hat $mathbf(Pi = Pi_c + 6Pi_e)$ .

(Exchanges: $1harr2, 1harr3, 1harr4, 2harr3, 2harr4, 3harr4$ )

Technisch, Sie sind über $"3.29 eV"$ auseinander (Anhang B.9), was bedeutet, dass es ungefähr dauert $"3.29 V"$ ein einzelnes Elektron aus dem zu übertragen $3d$ bis zum $4s$ .

Wir könnten das auch sagen seit dem $3d$ Orbitale haben eine niedrigere Energie, die Übertragung eines Elektrons auf ein Orbital mit niedrigerer Energie ist jedoch aus einer weniger quantitativen Perspektive hilfreich.

KOMPLIKATIONEN DURCH ORBITALE GRÖSSE

Beachten Sie, dass zum Beispiel, $"W"$ hat eine Konfiguration von $[Xe] 5d^4 6s^2$ , Die scheint der Begründung zu widersprechen, die wir hatten $"Cr"$ , da die Paarung im Orbital mit höherer Energie erfolgte.

Aber wir sollten das auch erkennen $5d$ Orbitale sind größer als $3d$ Orbitale, was bedeutet, die Elektronendichte kann sein mehr ausgebreitet in $"W"$ als für $"Cr"$ DAMIT Reduzierung die Paarungsenergie $Pi$ .

That is, $Pi_"W" < Pi_"Cr"$ .

Seit einem kleinere Paarungsenergie impliziert einfacher Elektronenpaarung, so könnte es wohl sein $"W"$ hat eine $[Xe] 5d^4 6s^2$ Konfiguration statt $[Xe] 5s^5 6s^1$ ; seine $5d$ und $6s$ Orbitale sind groß genug um die zusätzliche Elektronendichte aufzunehmen.

In der Tat ist der Energieunterschied in $"W"$ für die $5d$ und $6s$ Orbitale ist nur über $"0.24 eV"$ (Anhang B.9)Dies lässt sich leicht überwinden, indem größere Orbitale verwendet werden, die die Paarungsenergie stabilisieren.